流程組織（過程合成）課件

例題：一個由四個精餾塔和一個分流器組成的化工流程示意圖如下所示，流程中無化學(xué)反應(yīng)，所有組成均為摩爾分率。設(shè)計要求從塔2塔底出來的流股流量有50%回流到塔1，試計算確定流程中所有未知的流股流量和組成。411109876532塔1塔2分流器塔3塔41000mol/hC10.20C20.25C30.40C40.15C30.03C10.995C20.005C10.01C20.89C30.10C30.70C40.30C40.002C30.98C40.02C41.001一個不帶化學(xué)反應(yīng)的精餾塔群流程示意圖說明：3號流股只含C2、C3、C4去變置下一節(jié)例題：一個由四個精餾塔和一個分流器組成的化工流程示意圖如1解：該過程的流程中一些流股的部分或全部流股變量已經(jīng)由設(shè)計條件給出，但仍然有一些流股變量未知。由于該例題要求確定流程中所有未知的流股變量，所以，其物料衡算范圍應(yīng)該是全部流程過程。該流程雖然只牽涉到4種組份，但由于牽涉到5個單元設(shè)備、11個流股。所以其物料衡算計算相對一個單元操作的物料衡算要復(fù)雜一些，為了確定物料衡算計算的順序，先進行該流程的物料衡算自由度分析，這樣還可以對設(shè)計條件（數(shù)據(jù)）充分與否進行校驗。解：2在作該流程的自由度分析之前，應(yīng)該根據(jù)流程的特點和流股與單元設(shè)備的聯(lián)系確定流程中所有流程可能含有的組份種類。在本例題中，1、4、5、6、7、9、10、11號流股的組份種類已經(jīng)十分明顯了，但2、3、8號流股的組份種類就需要根據(jù)流程的特點和流股與單元設(shè)備的聯(lián)系來進行分析判斷。本例題中，由于塔2的輸出流股中含有三種組份，所以2號流股就必然含有三種組份（C1、C2、C3），同理可以判斷出3號流股和8號流股含有三種組份（C2、C3、C4）。還應(yīng)該注意，本例題中5、6、7三個流股是直接與分流器相連接的流股，它們的流股組成應(yīng)該完全相同。在作該流程的自由度分析之前，應(yīng)該根據(jù)流程的特點和3塔1塔2塔3塔4分流器過程整體總流股變量數(shù)MB方程數(shù)已知流股變量數(shù)已知附加方程數(shù)自由度流程的自由度分析表塔1塔2塔3塔4分流器過程整體總流股變量數(shù)MB方程數(shù)已知流股4＋1＋2自由度00已知附加方程數(shù)47已知流股變量數(shù)34MB方程數(shù)813總流股變量數(shù)塔2塔14111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000mol/hC10.20C20.25C30.40C40.15C30.03C10.995C20.005C10.01C20.89C30.10C30.70C40.30C40.002C30.98C40.02C41.001＋1＋2自由度00已知附加方程數(shù)47已知流股變量數(shù)34MB方5＋1＋3自由度00已知附加方程數(shù)22已知流股變量數(shù)23MB方程數(shù)58總流股變量數(shù)塔4塔34111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000mol/hC10.20C20.25C30.40C40.15C30.03C10.995C20.005C10.01C20.89C30.10C30.70C40.30C40.002C30.98C40.02C41.001＋1＋3自由度00已知附加方程數(shù)22已知流股變量數(shù)23MB方6＋2＋1自由度01已知附加方程數(shù)92已知流股變量數(shù)41MB方程數(shù)155總流股變量數(shù)整體分流器注意：整體只管進出系統(tǒng)的流股，而與中間流股無關(guān)，該整體相當(dāng)于一個虛擬的單個精餾塔。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000mol/hC10.20C20.25C30.40C40.15C30.03C10.995C20.005C10.01C20.89C30.10C30.70C40.30C40.002C30.98C40.02C41.001＋2＋1自由度01已知附加方程數(shù)92已知流股變量數(shù)41MB方7自由度已知附加方程數(shù)11已知流股變量數(shù)MB方程數(shù)25總流股變量數(shù)過程注意：過程與整體不同，它要包含流程系統(tǒng)內(nèi)所有流股。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000mol/hC10.20C20.25C30.40C40.15C30.03C10.995C20.005C10.01C20.89C30.10C30.70C40.30C40.002C30.98C40.02C41.001自由度已知附加方程數(shù)11已知流股變量數(shù)MB方程數(shù)25總流股變82011312自由度0110000已知附加方程數(shù)91122247已知流股變量數(shù)41312334MB方程數(shù)1525558813總流股變量數(shù)整體過程分流器塔4塔3塔2塔1流程的自由度分析表（結(jié)果）從流程的過程自由度分析結(jié)果可以看出：該流程設(shè)計條件給得正確。2011312自由度0110000已知附加方程數(shù)9112229從自由度分析結(jié)果還可以看出：所有單元的自由度都沒有為零的。問題：從哪個單元開始進行計算？即使所有單元自由度中，沒有一個為零，仍然從自由度最小的單元開始計算，只不過分步驟的計算結(jié)果中帶有未知變量（部分求解）。例如：本例題MB手工計算從塔2開始，塔2的MB方程：F2＝F4＋F50.03F2＝0.10F5塔2的MB求解結(jié)果（帶有一個未知變量F2）：F5＝0.3F2

F4＝0.7F2從自由度分析結(jié)果還可以看出：所有單元的自由度都沒有為零的。問10求解塔2后，應(yīng)該求解那個單元？

還是看對相鄰單元自由度的影響，做相鄰單元的更新自由度分析211自由度001已知附加式9★2已知變量數(shù)441MB方程數(shù)15135變量數(shù)OB塔1分流器★＝7＋8結(jié)論：求解塔2后，應(yīng)該解分流器或塔1。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000mol/hC10.20C20.25C30.40C40.15C30.03C10.995C20.005C10.01C20.89C30.10C30.70C40.30C40.002C30.98C40.02C41.001?（2－1）求解塔2后，應(yīng)該求解那個單元？還是看對相鄰單元11求解分流器MB：F5＝F6＋F7F6＝0.5F5解得：結(jié)果中仍然帶一個未知變量F23個流股組成全部已知F6＝0.15F2F7＝0.15F2求解分流器MB：F5＝F6＋F7解得：結(jié)果中仍然12求解分流器后，應(yīng)該求解那個單元？

還是看對相鄰單元自由度的影響，做相鄰單元的更新自由度分析01自由度00已知附加式數(shù)■◆已知變量數(shù)44MB方程數(shù)1315流股變量數(shù)塔1OB◆＝9＋■＝7＋109結(jié)論：從塔2解到分流器，再解到塔1時，變成完全求解。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000mol/hC10.20C20.25C30.40C40.15C30.03C10.995C20.005C10.01C20.89C30.10C30.70C40.30C40.002C30.98C40.02C41.001？（2-1）？（3-1）求解分流器后，應(yīng)該求解那個單元？還是看對相鄰單13截止到以上，我們已經(jīng)能夠判斷出三步計算順序：

塔2MB（帶一個未知變量的部分求解）

分流器MB（帶一個未知變量的部分求解）

塔1MB（完全求解）為什么從塔2、解到分流器還只能部分求解，再解到塔1后，其MB就能完全求解呢？我們再回頭看一看原來的流程圖和設(shè)計條件。截止到以上，我們已經(jīng)能夠判斷出三步計算順序：1401自由度11已知附加式數(shù)84已知變量數(shù)84MB方程數(shù)1710流股變量數(shù)塔2和分流器和塔1子流程過程塔2和分流器子流程過程大家考察一下：塔2和分流器組成的子流程的過程自由度？塔2和分流器和塔1組成的子流程的過程自由度？這就是從塔2解到分流器還是部分求解，還帶一個未知變量的原因所在。

有經(jīng)驗的設(shè)計工程師會將原流程分成二個子流程系統(tǒng)，再求解其MB。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000mol/hC10.20C20.25C30.40C40.15C30.03C10.995C20.005C10.01C20.89C30.10C30.70C40.30C40.002C30.98C40.02C41.00101自由度11已知附加式數(shù)84已知變量數(shù)84MB方程數(shù)17115三步求解，解到塔1后應(yīng)該接著解那個單元？很明顯，只能接著解塔3。

但塔3能不能完全求解，還是要看前面解的結(jié)果對它的自由度的影響。

塔3更新自由度分析表分析結(jié)果：解完塔1后，應(yīng)解塔3，而且是完全求解。0自由度0已知附加式數(shù)5已知變量數(shù)3MB方程數(shù)8流股變量數(shù)塔34111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000mol/hC10.20C20.25C30.40C40.15C30.03C10.995C20.005C10.01C20.89C30.10C30.70C40.30C40.002C30.98C40.02C41.001三步求解，解到塔1后應(yīng)該很明顯，只能接著解塔316解到塔3后應(yīng)該接著解那個單元？很明顯，應(yīng)該解塔4或OB。塔4和OB的更新自由度分析表塔4OB流股變量數(shù)515MB方程數(shù)2已知變量數(shù)已知附加式數(shù)00自由度3013－2024分析結(jié)果：解完塔3后，可以解塔4或OB。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000mol/hC10.20C20.25C30.40C40.15C30.03C10.995C20.005C10.01C20.89C30.10C30.70C40.30C40.002C30.98C40.02C41.001解到塔3后應(yīng)該很明顯，應(yīng)該解塔4或OB。塔4和17至此，手工MB的計算順序可以確定如下：塔2MB（部分）分流器MB（部分）塔1MB（全部）塔3MB（全部）塔4MB（全部）OBMB（全部）是一個先部分求解，再完全求解的計算順序。

實際設(shè)計中，部分求解和完全求解經(jīng)常在流程MB計算過程中交叉出現(xiàn)。但只要流程設(shè)計條件給得正確，解到最后一個單元，必然是完全求解。至此，手工MB的計算順序可以確定如下：塔2MB分流器MB18由于流程原設(shè)計條件中，只有一個流股的流量已知，流程過程自由度為0。提示：

可不可以，將原流程設(shè)計先變成彈性設(shè)計，再通過彈性設(shè)計計算基準(zhǔn)的選擇，從而達到簡化MB計算的目的呢？如果一個流程中只有一個流股的流量已知，而且流程過程自由度為0，那么，可以將這個唯一已知的流股流量先假設(shè)為未知，使整個設(shè)計條件變成彈性設(shè)計，再通過選擇彈性設(shè)計MB的計算基準(zhǔn)，假設(shè)另外一個流股的流量已知，而達到簡化MB計算的目的。流程圖“變量置換”的概念：在本例題中，將F1＝1000mol/h拿掉，假設(shè)它未知。那么，這個流程自由度分析表會發(fā)生變化，變成如下：問題：該例題有沒有可簡化計算的方法？由于流程原設(shè)計條件中，只有一個流股的流量已知，流程過程自由度192011312自由度0110000已知附加方程數(shù)91122247已知流股變量數(shù)41312334MB方程數(shù)1525558813總流股變量數(shù)整體過程分流器塔4塔3塔2塔1變量置換后流程的自由度分析表（結(jié)果）從變量置換后自由度分析結(jié)果可以看出：該流程設(shè)計是彈性設(shè)計了。638310＋1

根據(jù)彈性設(shè)計計算基準(zhǔn)的選擇原則，最好選F5＝100mol/h為計算基準(zhǔn)。那么很明顯，MB計算時，先求解塔2和分流器，而且二者都能完全求解。將F1＝1000mol/h假設(shè)為未知后2011312自由度0110000已知附加方程數(shù)91122220完全求解塔2和分流器后，應(yīng)該求解那個單元？更新自由度分析表10自由度00已知附加式109已知變量數(shù)44MB方程數(shù)1513變量數(shù)OB塔1結(jié)論：應(yīng)該接著求解塔1，而且是完全求解。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔4C10.20C20.25C30.40C40.15C30.03C10.995C20.005C10.01C20.89C30.10C30.70C40.30C40.002C30.98C40.02C41.001完全求解塔2和分流器后，應(yīng)該求解那個單元？更新21變量置換后，MB計算變成了一個每步都能完全求解順序序列，大大簡化了計算。這也是變量置換的目的。注意：1、變量置換前后，計算結(jié)果對流股變量中的組成不會產(chǎn)生影響；2、變量置換前后，計算結(jié)果對流股變量中的流量會產(chǎn)生影響，但可以從變量置換后的流量變回變量置換前原設(shè)計要求的流量值。變量置換后，MB計算變成了一個每步都能完全求解22變量置換前后，本例題MB計算結(jié)果（物料衡算一覽表）142.366…85.96200.57756.45286.531000變量置換前總流率（mol/h）…………………xC4（摩爾分率）…………………xC3（摩爾分率）…………………xC2（摩爾分率）…………………xC1（摩爾分率）…………………C4分流率（mol/h）…………………C3分流率（mol/h）…………………C2分流率（mol/h）…………………C1分流率（mol/h）165.62…100233.33880.00333.331163.33變量置換后總流率（mol/h）11…54321流股號流率及組成本例題小結(jié)。流程圖變量置換前后，本例題MB計算結(jié)果（物料衡算一覽表）142.323

3.4化工流程的物料衡算（帶反應(yīng)）

本節(jié)主要目的：1、帶反應(yīng)化工流程的自由度分析時，描述反應(yīng)程度的單元變量是如何引入的。2、帶反應(yīng)流程MB的具體計算問題。

3.4化工流程的物料衡算（帶反應(yīng)）24對有化學(xué)反應(yīng)存在的化工流程進行物料衡算時，與不帶化學(xué)反應(yīng)的化工流程物料衡算相比，其最大區(qū)別在于：帶化學(xué)反應(yīng)流程的物料衡算，必須在衡算計算過程中引入描述化學(xué)反應(yīng)程度的變量（如反應(yīng)速度、反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)選擇性等）作為反應(yīng)器的單元變量。

一個反應(yīng)器帶有幾個獨立的化學(xué)反應(yīng)，就應(yīng)該相應(yīng)引入幾個反應(yīng)單元變量。對有化學(xué)反應(yīng)存在的化工流程進行物料衡算時，與不25例題：有如下一個水煤氣轉(zhuǎn)換流程。設(shè)計要求及已知條件為：⑴、反應(yīng)器1的水蒸汽摩爾流量是另外兩股干氣進料摩爾流量之和的二倍；⑵、CO在反應(yīng)器1中的轉(zhuǎn)化率為80％；⑶、反應(yīng)器2出口氣流中H2和N2分摩爾流量比等于3；所有組成均為摩爾分率，已知反應(yīng)器1和反應(yīng)器2中分別只有一個化學(xué)反應(yīng)：CO＋H2O→CO2＋H2，流程中部分流股的流量及組成標(biāo)注在以下流程示意圖中。試作該流程的物料衡算計算。5423反應(yīng)器1反應(yīng)器2N20.78CO0.20CO20.02100mol/h1H20.50CO0.50H2O1.00水蒸汽CO0.01例題：5423反應(yīng)器1反應(yīng)器2N20.781H226解：首先要根據(jù)流程特點，判斷4、5號流股含有的組份數(shù)。4、5號流股顯然都含有5種組份：N2、H2、H2O、CO、N25423反應(yīng)器1反應(yīng)器2N20.78CO0.20CO20.02100mol/h1H20.50CO0.50H2O1.00水蒸汽CO0.01（5）（5）接著，我們來看看流程的自由度分析情況：該流程整體（OB）的特點：一個只有一種反應(yīng)的虛擬反應(yīng)器解：首先要根據(jù)流程特點，判斷4、5號流股含有的組份數(shù)。4、5275423反應(yīng)器1反應(yīng)器2N20.78CO0.20CO20.02100mol/h1H20.50CO0.50H2O1.00水蒸汽CO0.01（5）（5）自由度分析表0041自由度2211已知其它關(guān)系式數(shù)0101已知單元變量數(shù)5514已知流股變量數(shù)51055衡算（MB）方程數(shù)1211單元變量數(shù)11161011流股變量數(shù)整體（OB）過程反應(yīng)器2反應(yīng)器1此處的“1”和兩個反應(yīng)器中的“1”有什么區(qū)別？5423反應(yīng)器1反應(yīng)器2N20.781H20.528關(guān)于反應(yīng)單元變量引入時應(yīng)該注意的問題：1、各單元的反應(yīng)變量描述的是各單元中對應(yīng)的幾個獨立反應(yīng)程度，而且是單程的概念；2、整體（OB）中的反應(yīng)變量描述的是流程中有幾種獨立反應(yīng)的全程反應(yīng)程度；3、反應(yīng)單元變量在過程自由度分析時，具有加和性（不加整體的反應(yīng)變量）。反應(yīng)器1：A＋B→CC→D＋E反應(yīng)器2：A＋B→CC＋F→G自由度分析表各單元、過程、整體引入反應(yīng)單元變量的情況反應(yīng)器1反應(yīng)器2過程整體（OB）單元變量數(shù)2243例如：反應(yīng)器1反應(yīng)器2關(guān)于反應(yīng)單元變量引入時應(yīng)該注意的問題：1、各單元的反應(yīng)變量描29

從自由度分析結(jié)果，可明顯看出，先進行整體（OB）的MB計算，而且是完全求解。

技巧：對有惰性組份進出的化工流程，整體衡算往往可以優(yōu)先考慮。5423反應(yīng)器1反應(yīng)器2N20.78CO0.20CO20.02100mol/h1H20.50CO0.50H2O1.00水蒸汽CO0.01（5）（5）解完整體后，接著應(yīng)該求解哪個單元？更新自由度分析表反應(yīng)器1反應(yīng)器2流變數(shù)和單變數(shù)MB方程數(shù)已知流變數(shù)和單變數(shù)已知附加式數(shù)自由度11＋156＋11－10010＋15501從自由度分析結(jié)果，可明顯看出，先進行整體（OB）30所以，可以確定MB計算順序為：整體（OB）MB（完全求解）反應(yīng)器2MB（完全求解）請同學(xué)們，動手具體求解：（提示：選擇關(guān)鍵組份的全程反應(yīng)速率或全程轉(zhuǎn)化率為整體MB計算時的單元變量）具體求解時，設(shè)：CO的全程反應(yīng)速度為：rmol/hF5，N2＝0.78×100＝78mol/hF5，H2＝0.5F2＋rF5，H2＝3F5，N2＝3×78＝234mol/hF5,CO＝100×0.2＋0.5F2－rF5，CO2＝100×0.02＋rF5，H2O＝F3－rF3＝2（F1＋F2）F5,CO/（F5,CO＋F5,CO2＋F5,H2＋F5,H2O＋F5,N2）＝0.01具體求解：略所以，可以確定MB計算順序為：整體（OB）MB反應(yīng)器2MB31第四章流程組織(過程合成)32例題：有如下一個（煉鐵）流程系統(tǒng)：分流器反應(yīng)器1反應(yīng)器2混合器冷凝器PurgeFe3O41.00Fe0.02FeO0.97Fe3O40.01Fe0.98FeOFe3O4N2H2H2O產(chǎn)品還原氣流N20.66H20.33H2O0.01N2H2H2ON2H2

H2O0.005H2O1.006574231891110設(shè)計已知（要求）：1、控制反應(yīng)器2溫度，使Fe3O4不參加反應(yīng)；2、離開反應(yīng)器1的氣流股有10％通過分流器排空（Purge）；3、在反應(yīng)器2中，每10mol還原氣流能生產(chǎn)1mol產(chǎn)品；4、所有組成均為摩爾分率。此外，整個流程系統(tǒng)內(nèi)有二個反應(yīng)：Fe3O4＋H23FeO＋H2OFeO＋H2Fe＋H2O試做該流程的自由度分析，并支出MB計算的順序。例題：有如下一個（煉鐵）流程系統(tǒng)：分流器反應(yīng)器1反應(yīng)器2混合33解：

首先，給各流股編號，并根據(jù)流程特點判斷各流股的組份數(shù)；分流器反應(yīng)器1反應(yīng)器2混合器冷凝器PurgeFe3O41.00Fe0.02FeO0.97Fe3O40.01Fe0.98FeOFe3O4N2H2H2O產(chǎn)品還原氣流N20.66H20.33H2O0.01N2H2H2ON2H2

H2O0.005H2O1.006574231891110(3)(3)(3)

反應(yīng)器1中，2個反應(yīng)同時存在，而在反應(yīng)器2中只有FeO進一步還原1個反應(yīng)存在。流程整體（OB）的特點：含有2種獨立反應(yīng)的虛擬反應(yīng)器。去自由度表解：首先，給各流股編號，并根據(jù)流程特點判斷各流股的34分流器反應(yīng)器1反應(yīng)器2混合器冷凝器PurgeFe3O41.00Fe0.02FeO0.97Fe3O40.01Fe0.98FeOFe3O4N2H2H2O產(chǎn)品還原氣流N20.66H20.33H2O0.01N2H2H2ON2H2

H2O0.005H2O1.006574231891110(3)(3)(3)反應(yīng)器1和反應(yīng)器2自由度分析表10已知附加式數(shù)00已知單元變量14自由度52已知流股變量66MB方程數(shù)12單元變量1210流股變量反應(yīng)器2反應(yīng)器1分流器反應(yīng)器1反應(yīng)器2混合器冷凝器PurgeFe3O4135分流器反應(yīng)器1反應(yīng)器2混合器冷凝器PurgeFe3O41.00Fe0.02FeO0.97Fe3O40.01Fe0.98FeOFe3O4N2H2H2O產(chǎn)品還原氣流N20.66H20.33H2O0.01N2H2H2ON2H2

H2O0.005H2O1.006574231891110(3)(3)(3)分流器和冷凝器自由度分析表33自由度01已知附加式數(shù)00已知單元變量10已知流股變量31MB方程數(shù)00單元變量75流股變量冷凝器分流器分流器反應(yīng)器1反應(yīng)器2混合器冷凝器PurgeFe3O413663自由度00已知附加式數(shù)00已知單元變量13已知流股變量63MB方程數(shù)20單元變量119流股變量OB混合器分流器反應(yīng)器1反應(yīng)器2混合器冷凝器PurgeFe3O41.00Fe0.02FeO0.97Fe3O40.01Fe0.98FeOFe3O4N2H2H2O產(chǎn)品還原氣流N20.66H20.33H2O0.01N2H2H2ON2H2

H2O0.005H2O1.006574231891110(3)(3)(3)混合器和整體（OB）自由度分析表63自由度00已知附加式數(shù)00已知單元變量13已知流股變量637整個流程自由度分析表6023304自由度（基準(zhǔn)后）－1－1－1計算基準(zhǔn)6＋133314自由度0200110已知附加式數(shù)0000000已知單元變量1631052已知流股變量61933166衡算（MB）方程數(shù)2300012單元變量數(shù)11259751210流股變量數(shù)OB過程混合器冷凝器分流器反應(yīng)器2反應(yīng)器1去流程圖完全符合“彈性設(shè)計”。選擇計算基準(zhǔn)后，顯然，應(yīng)該首先解反應(yīng)器2的MB，而且是完全求解最好挑選F11＝1000mol/h為計算基準(zhǔn)。整個流程自由度分析表6023304自由度（基準(zhǔn)后）－1－1－38

求解完反應(yīng)器2后，應(yīng)該求解哪個單元？分流器反應(yīng)器1反應(yīng)器2混合器冷凝器PurgeFe3O41.00Fe0.02FeO0.97Fe3O40.01Fe0.98FeOFe3O4N2H2H2O產(chǎn)品還原氣流N20.66H20.33H2O0.01N2H2H2ON2H2

H2O0.005H2O1.006574231891110(3)(3)(3)更新自由度分析表04自由度00已知附加式數(shù)00已知單元變量63已知流股變量66衡算MB方程數(shù)22單元變量1011流股變量反應(yīng)器1OB

解完反應(yīng)器2后，接著解反應(yīng)器1的MB，而且是完全求解。解完反應(yīng)器1后，緊接著對OB和分流器產(chǎn)生影響。

但顯然應(yīng)該求解分流器的MB，也是完全求解。分流器：5－1－3－1＝0求解完反應(yīng)器2后，應(yīng)該分流器反應(yīng)器1反應(yīng)器2混合39

求解完分流器后，應(yīng)該求解哪個單元？分流器反應(yīng)器1反應(yīng)器2混合器冷凝器PurgeFe3O41.00Fe0.02FeO0.97Fe3O40.01Fe0.98FeOFe3O4N2H2H2O產(chǎn)品還原氣流N20.66H20.33H2O0.01N2H2H2ON2H2

H2O0.005H2O1.006574231891110(3)(3)(3)更新自由度分析表00自由度00已知附加式數(shù)00已知單元變量47已知流股變量36衡算MB方程數(shù)02單元變量711流股變量冷凝器OB

解完分流器后，接著解冷凝器的MB或OB的MB，而且都是完全求解。求解完分流器后，應(yīng)該分流器反應(yīng)器1反應(yīng)器2混合器40所以，整個MB計算順序為：反應(yīng)器2MB反應(yīng)器1MB分流器MB冷凝器MB混合器MBOBMB冷凝器MB混合器MB而且是一個每步都能完全求解的計算順序。具體詳細(xì)計算過程與結(jié)果：略。所以，整個MB計算順序為：反應(yīng)器2MB反應(yīng)器1MB分流器41第四章流程組織(過程合成)42演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！43例題：一個由四個精餾塔和一個分流器組成的化工流程示意圖如下所示，流程中無化學(xué)反應(yīng)，所有組成均為摩爾分率。設(shè)計要求從塔2塔底出來的流股流量有50%回流到塔1，試計算確定流程中所有未知的流股流量和組成。411109876532塔1塔2分流器塔3塔41000mol/hC10.20C20.25C30.40C40.15C30.03C10.995C20.005C10.01C20.89C30.10C30.70C40.30C40.002C30.98C40.02C41.001一個不帶化學(xué)反應(yīng)的精餾塔群流程示意圖說明：3號流股只含C2、C3、C4去變置下一節(jié)例題：一個由四個精餾塔和一個分流器組成的化工流程示意圖如44解：該過程的流程中一些流股的部分或全部流股變量已經(jīng)由設(shè)計條件給出，但仍然有一些流股變量未知。由于該例題要求確定流程中所有未知的流股變量，所以，其物料衡算范圍應(yīng)該是全部流程過程。該流程雖然只牽涉到4種組份，但由于牽涉到5個單元設(shè)備、11個流股。所以其物料衡算計算相對一個單元操作的物料衡算要復(fù)雜一些，為了確定物料衡算計算的順序，先進行該流程的物料衡算自由度分析，這樣還可以對設(shè)計條件（數(shù)據(jù)）充分與否進行校驗。解：45在作該流程的自由度分析之前，應(yīng)該根據(jù)流程的特點和流股與單元設(shè)備的聯(lián)系確定流程中所有流程可能含有的組份種類。在本例題中，1、4、5、6、7、9、10、11號流股的組份種類已經(jīng)十分明顯了，但2、3、8號流股的組份種類就需要根據(jù)流程的特點和流股與單元設(shè)備的聯(lián)系來進行分析判斷。本例題中，由于塔2的輸出流股中含有三種組份，所以2號流股就必然含有三種組份（C1、C2、C3），同理可以判斷出3號流股和8號流股含有三種組份（C2、C3、C4）。還應(yīng)該注意，本例題中5、6、7三個流股是直接與分流器相連接的流股，它們的流股組成應(yīng)該完全相同。在作該流程的自由度分析之前，應(yīng)該根據(jù)流程的特點和46塔1塔2塔3塔4分流器過程整體總流股變量數(shù)MB方程數(shù)已知流股變量數(shù)已知附加方程數(shù)自由度流程的自由度分析表塔1塔2塔3塔4分流器過程整體總流股變量數(shù)MB方程數(shù)已知流股47＋1＋2自由度00已知附加方程數(shù)47已知流股變量數(shù)34MB方程數(shù)813總流股變量數(shù)塔2塔14111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000mol/hC10.20C20.25C30.40C40.15C30.03C10.995C20.005C10.01C20.89C30.10C30.70C40.30C40.002C30.98C40.02C41.001＋1＋2自由度00已知附加方程數(shù)47已知流股變量數(shù)34MB方48＋1＋3自由度00已知附加方程數(shù)22已知流股變量數(shù)23MB方程數(shù)58總流股變量數(shù)塔4塔34111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000mol/hC10.20C20.25C30.40C40.15C30.03C10.995C20.005C10.01C20.89C30.10C30.70C40.30C40.002C30.98C40.02C41.001＋1＋3自由度00已知附加方程數(shù)22已知流股變量數(shù)23MB方49＋2＋1自由度01已知附加方程數(shù)92已知流股變量數(shù)41MB方程數(shù)155總流股變量數(shù)整體分流器注意：整體只管進出系統(tǒng)的流股，而與中間流股無關(guān)，該整體相當(dāng)于一個虛擬的單個精餾塔。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000mol/hC10.20C20.25C30.40C40.15C30.03C10.995C20.005C10.01C20.89C30.10C30.70C40.30C40.002C30.98C40.02C41.001＋2＋1自由度01已知附加方程數(shù)92已知流股變量數(shù)41MB方50自由度已知附加方程數(shù)11已知流股變量數(shù)MB方程數(shù)25總流股變量數(shù)過程注意：過程與整體不同，它要包含流程系統(tǒng)內(nèi)所有流股。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000mol/hC10.20C20.25C30.40C40.15C30.03C10.995C20.005C10.01C20.89C30.10C30.70C40.30C40.002C30.98C40.02C41.001自由度已知附加方程數(shù)11已知流股變量數(shù)MB方程數(shù)25總流股變512011312自由度0110000已知附加方程數(shù)91122247已知流股變量數(shù)41312334MB方程數(shù)1525558813總流股變量數(shù)整體過程分流器塔4塔3塔2塔1流程的自由度分析表（結(jié)果）從流程的過程自由度分析結(jié)果可以看出：該流程設(shè)計條件給得正確。2011312自由度0110000已知附加方程數(shù)91122252從自由度分析結(jié)果還可以看出：所有單元的自由度都沒有為零的。問題：從哪個單元開始進行計算？即使所有單元自由度中，沒有一個為零，仍然從自由度最小的單元開始計算，只不過分步驟的計算結(jié)果中帶有未知變量（部分求解）。例如：本例題MB手工計算從塔2開始，塔2的MB方程：F2＝F4＋F50.03F2＝0.10F5塔2的MB求解結(jié)果（帶有一個未知變量F2）：F5＝0.3F2

F4＝0.7F2從自由度分析結(jié)果還可以看出：所有單元的自由度都沒有為零的。問53求解塔2后，應(yīng)該求解那個單元？

還是看對相鄰單元自由度的影響，做相鄰單元的更新自由度分析211自由度001已知附加式9★2已知變量數(shù)441MB方程數(shù)15135變量數(shù)OB塔1分流器★＝7＋8結(jié)論：求解塔2后，應(yīng)該解分流器或塔1。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000mol/hC10.20C20.25C30.40C40.15C30.03C10.995C20.005C10.01C20.89C30.10C30.70C40.30C40.002C30.98C40.02C41.001?（2－1）求解塔2后，應(yīng)該求解那個單元？還是看對相鄰單元54求解分流器MB：F5＝F6＋F7F6＝0.5F5解得：結(jié)果中仍然帶一個未知變量F23個流股組成全部已知F6＝0.15F2F7＝0.15F2求解分流器MB：F5＝F6＋F7解得：結(jié)果中仍然55求解分流器后，應(yīng)該求解那個單元？

還是看對相鄰單元自由度的影響，做相鄰單元的更新自由度分析01自由度00已知附加式數(shù)■◆已知變量數(shù)44MB方程數(shù)1315流股變量數(shù)塔1OB◆＝9＋■＝7＋109結(jié)論：從塔2解到分流器，再解到塔1時，變成完全求解。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000mol/hC10.20C20.25C30.40C40.15C30.03C10.995C20.005C10.01C20.89C30.10C30.70C40.30C40.002C30.98C40.02C41.001？（2-1）？（3-1）求解分流器后，應(yīng)該求解那個單元？還是看對相鄰單56截止到以上，我們已經(jīng)能夠判斷出三步計算順序：

塔2MB（帶一個未知變量的部分求解）

分流器MB（帶一個未知變量的部分求解）

塔1MB（完全求解）為什么從塔2、解到分流器還只能部分求解，再解到塔1后，其MB就能完全求解呢？我們再回頭看一看原來的流程圖和設(shè)計條件。截止到以上，我們已經(jīng)能夠判斷出三步計算順序：5701自由度11已知附加式數(shù)84已知變量數(shù)84MB方程數(shù)1710流股變量數(shù)塔2和分流器和塔1子流程過程塔2和分流器子流程過程大家考察一下：塔2和分流器組成的子流程的過程自由度？塔2和分流器和塔1組成的子流程的過程自由度？這就是從塔2解到分流器還是部分求解，還帶一個未知變量的原因所在。

有經(jīng)驗的設(shè)計工程師會將原流程分成二個子流程系統(tǒng)，再求解其MB。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000mol/hC10.20C20.25C30.40C40.15C30.03C10.995C20.005C10.01C20.89C30.10C30.70C40.30C40.002C30.98C40.02C41.00101自由度11已知附加式數(shù)84已知變量數(shù)84MB方程數(shù)17158三步求解，解到塔1后應(yīng)該接著解那個單元？很明顯，只能接著解塔3。

但塔3能不能完全求解，還是要看前面解的結(jié)果對它的自由度的影響。

塔3更新自由度分析表分析結(jié)果：解完塔1后，應(yīng)解塔3，而且是完全求解。0自由度0已知附加式數(shù)5已知變量數(shù)3MB方程數(shù)8流股變量數(shù)塔34111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000mol/hC10.20C20.25C30.40C40.15C30.03C10.995C20.005C10.01C20.89C30.10C30.70C40.30C40.002C30.98C40.02C41.001三步求解，解到塔1后應(yīng)該很明顯，只能接著解塔359解到塔3后應(yīng)該接著解那個單元？很明顯，應(yīng)該解塔4或OB。塔4和OB的更新自由度分析表塔4OB流股變量數(shù)515MB方程數(shù)2已知變量數(shù)已知附加式數(shù)00自由度3013－2024分析結(jié)果：解完塔3后，可以解塔4或OB。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000mol/hC10.20C20.25C30.40C40.15C30.03C10.995C20.005C10.01C20.89C30.10C30.70C40.30C40.002C30.98C40.02C41.001解到塔3后應(yīng)該很明顯，應(yīng)該解塔4或OB。塔4和60至此，手工MB的計算順序可以確定如下：塔2MB（部分）分流器MB（部分）塔1MB（全部）塔3MB（全部）塔4MB（全部）OBMB（全部）是一個先部分求解，再完全求解的計算順序。

實際設(shè)計中，部分求解和完全求解經(jīng)常在流程MB計算過程中交叉出現(xiàn)。但只要流程設(shè)計條件給得正確，解到最后一個單元，必然是完全求解。至此，手工MB的計算順序可以確定如下：塔2MB分流器MB61由于流程原設(shè)計條件中，只有一個流股的流量已知，流程過程自由度為0。提示：

可不可以，將原流程設(shè)計先變成彈性設(shè)計，再通過彈性設(shè)計計算基準(zhǔn)的選擇，從而達到簡化MB計算的目的呢？如果一個流程中只有一個流股的流量已知，而且流程過程自由度為0，那么，可以將這個唯一已知的流股流量先假設(shè)為未知，使整個設(shè)計條件變成彈性設(shè)計，再通過選擇彈性設(shè)計MB的計算基準(zhǔn)，假設(shè)另外一個流股的流量已知，而達到簡化MB計算的目的。流程圖“變量置換”的概念：在本例題中，將F1＝1000mol/h拿掉，假設(shè)它未知。那么，這個流程自由度分析表會發(fā)生變化，變成如下：問題：該例題有沒有可簡化計算的方法？由于流程原設(shè)計條件中，只有一個流股的流量已知，流程過程自由度622011312自由度0110000已知附加方程數(shù)91122247已知流股變量數(shù)41312334MB方程數(shù)1525558813總流股變量數(shù)整體過程分流器塔4塔3塔2塔1變量置換后流程的自由度分析表（結(jié)果）從變量置換后自由度分析結(jié)果可以看出：該流程設(shè)計是彈性設(shè)計了。638310＋1

根據(jù)彈性設(shè)計計算基準(zhǔn)的選擇原則，最好選F5＝100mol/h為計算基準(zhǔn)。那么很明顯，MB計算時，先求解塔2和分流器，而且二者都能完全求解。將F1＝1000mol/h假設(shè)為未知后2011312自由度0110000已知附加方程數(shù)91122263完全求解塔2和分流器后，應(yīng)該求解那個單元？更新自由度分析表10自由度00已知附加式109已知變量數(shù)44MB方程數(shù)1513變量數(shù)OB塔1結(jié)論：應(yīng)該接著求解塔1，而且是完全求解。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔4C10.20C20.25C30.40C40.15C30.03C10.995C20.005C10.01C20.89C30.10C30.70C40.30C40.002C30.98C40.02C41.001完全求解塔2和分流器后，應(yīng)該求解那個單元？更新64變量置換后，MB計算變成了一個每步都能完全求解順序序列，大大簡化了計算。這也是變量置換的目的。注意：1、變量置換前后，計算結(jié)果對流股變量中的組成不會產(chǎn)生影響；2、變量置換前后，計算結(jié)果對流股變量中的流量會產(chǎn)生影響，但可以從變量置換后的流量變回變量置換前原設(shè)計要求的流量值。變量置換后，MB計算變成了一個每步都能完全求解65變量置換前后，本例題MB計算結(jié)果（物料衡算一覽表）142.366…85.96200.57756.45286.531000變量置換前總流率（mol/h）…………………xC4（摩爾分率）…………………xC3（摩爾分率）…………………xC2（摩爾分率）…………………xC1（摩爾分率）…………………C4分流率（mol/h）…………………C3分流率（mol/h）…………………C2分流率（mol/h）…………………C1分流率（mol/h）165.62…100233.33880.00333.331163.33變量置換后總流率（mol/h）11…54321流股號流率及組成本例題小結(jié)。流程圖變量置換前后，本例題MB計算結(jié)果（物料衡算一覽表）142.366

3.4化工流程的物料衡算（帶反應(yīng)）

本節(jié)主要目的：1、帶反應(yīng)化工流程的自由度分析時，描述反應(yīng)程度的單元變量是如何引入的。2、帶反應(yīng)流程MB的具體計算問題。

3.4化工流程的物料衡算（帶反應(yīng)）67對有化學(xué)反應(yīng)存在的化工流程進行物料衡算時，與不帶化學(xué)反應(yīng)的化工流程物料衡算相比，其最大區(qū)別在于：帶化學(xué)反應(yīng)流程的物料衡算，必須在衡算計算過程中引入描述化學(xué)反應(yīng)程度的變量（如反應(yīng)速度、反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)選擇性等）作為反應(yīng)器的單元變量。

一個反應(yīng)器帶有幾個獨立的化學(xué)反應(yīng)，就應(yīng)該相應(yīng)引入幾個反應(yīng)單元變量。對有化學(xué)反應(yīng)存在的化工流程進行物料衡算時，與不68例題：有如下一個水煤氣轉(zhuǎn)換流程。設(shè)計要求及已知條件為：⑴、反應(yīng)器1的水蒸汽摩爾流量是另外兩股干氣進料摩爾流量之和的二倍；⑵、CO在反應(yīng)器1中的轉(zhuǎn)化率為80％；⑶、反應(yīng)器2出口氣流中H2和N2分摩爾流量比等于3；所有組成均為摩爾分率，已知反應(yīng)器1和反應(yīng)器2中分別只有一個化學(xué)反應(yīng)：CO＋H2O→CO2＋H2，流程中部分流股的流量及組成標(biāo)注在以下流程示意圖中。試作該流程的物料衡算計算。5423反應(yīng)器1反應(yīng)器2N20.78CO0.20CO20.02100mol/h1H20.50CO0.50H2O1.00水蒸汽CO0.01例題：5423反應(yīng)器1反應(yīng)器2N20.781H269解：首先要根據(jù)流程特點，判斷4、5號流股含有的組份數(shù)。4、5號流股顯然都含有5種組份：N2、H2、H2O、CO、N25423反應(yīng)器1反應(yīng)器2N20.78CO0.20CO20.02100mol/h1H20.50CO0.50H2O1.00水蒸汽CO0.01（5）（5）接著，我們來看看流程的自由度分析情況：該流程整體（OB）的特點：一個只有一種反應(yīng)的虛擬反應(yīng)器解：首先要根據(jù)流程特點，判斷4、5號流股含有的組份數(shù)。4、5705423反應(yīng)器1反應(yīng)器2N20.78CO0.20CO20.02100mol/h1H20.50CO0.50H2O1.00水蒸汽CO0.01（5）（5）自由度分析表0041自由度2211已知其它關(guān)系式數(shù)0101已知單元變量數(shù)5514已知流股變量數(shù)51055衡算（MB）方程數(shù)1211單元變量數(shù)11161011流股變量數(shù)整體（OB）過程反應(yīng)器2反應(yīng)器1此處的“1”和兩個反應(yīng)器中的“1”有什么區(qū)別？5423反應(yīng)器1反應(yīng)器2N20.781H20.571關(guān)于反應(yīng)單元變量引入時應(yīng)該注意的問題：1、各單元的反應(yīng)變量描述的是各單元中對應(yīng)的幾個獨立反應(yīng)程度，而且是單程的概念；2、整體（OB）中的反應(yīng)變量描述的是流程中有幾種獨立反應(yīng)的全程反應(yīng)程度；3、反應(yīng)單元變量在過程自由度分析時，具有加和性（不加整體的反應(yīng)變量）。反應(yīng)器1：A＋B→CC→D＋E反應(yīng)器2：A＋B→CC＋F→G自由度分析表各單元、過程、整體引入反應(yīng)單元變量的情況反應(yīng)器1反應(yīng)器2過程整體（OB）單元變量數(shù)2243例如：反應(yīng)器1反應(yīng)器2關(guān)于反應(yīng)單元變量引入時應(yīng)該注意的問題：1、各單元的反應(yīng)變量描72

從自由度分析結(jié)果，可明顯看出，先進行整體（OB）的MB計算，而且是完全求解。

技巧：對有惰性組份進出的化工流程，整體衡算往往可以優(yōu)先考慮。5423反應(yīng)器1反應(yīng)器2N20.78CO0.20CO20.02100mol/h1H20.50CO0.50H2O1.00水蒸汽CO0.01（5）（5）解完整體后，接著應(yīng)該求解哪個單元？更新自由度分析表反應(yīng)器1反應(yīng)器2流變數(shù)和單變數(shù)MB方程數(shù)已知流變數(shù)和單變數(shù)已知附加式數(shù)自由度11＋156＋11－10010＋15501從自由度分析結(jié)果，可明顯看出，先進行整體（OB）73所以，可以確定MB計算順序為：整體（OB）MB（完全求解）反應(yīng)器2MB（完全求解）請同學(xué)們，動手具體求解：（提示：選擇關(guān)鍵組份的全程反應(yīng)速率或全程轉(zhuǎn)化率為整體MB計算時的單元變量）具體求解時，設(shè)：CO的全程反應(yīng)速度為：rmol/hF5，N2＝0.78×100＝78mol/hF5，H2＝0.5F2＋rF5，H2＝3F5，N2＝3×78＝234mol/hF5,CO＝100×0.2＋0.5F2－rF5，CO2＝100×0.02＋rF5，H2O＝F3－rF3＝2（F1＋F2）F5,CO/（F5,CO＋F5,CO2＋F5,H2＋F5,H2O＋F5,N2）＝0.01具體求解：略所以，可以確定MB計算順序為：整體（OB）MB反應(yīng)器2MB74第四章流程組織(過程合成)75例題：有如下一個（煉鐵）流程系統(tǒng)：分流器反應(yīng)器1反應(yīng)器2混合器冷凝器PurgeFe3O41.00Fe0.02FeO0.97Fe3O40.01Fe0.98FeOFe3O4N2H2H2O產(chǎn)品還原氣流N20.66H20.33H2O0.01N2H2H2ON2H2

H2O0.005H2O1.006574231891110設(shè)計已知（要求）：1、控制反應(yīng)器2溫度，使Fe3O4不參加反應(yīng)；2、離開反應(yīng)器1的氣流股有10％通過分流器排空（Purge）；3、在反應(yīng)器2中，每10mol還原氣流能生產(chǎn)1mol產(chǎn)品；4、所有組成均為摩爾分率。此外，整個流程系統(tǒng)內(nèi)有二個反應(yīng)：Fe3O4＋H23FeO＋H2OFeO＋H2Fe＋H2O試做該流程的自由度分析，并支出MB計算的順序。例題：有如下一個（煉鐵）流程系統(tǒng)：分流器反應(yīng)器1反應(yīng)器2混合76解：

首先，給各流股編號，并根據(jù)流程特點判斷各流股的組份數(shù)；分流器反應(yīng)器1反應(yīng)器2混合器冷凝器PurgeFe3O41.00Fe0.02FeO0.97Fe3O40.01Fe0.98FeOFe3O4N2H2H2O產(chǎn)品還原氣流N20.66H20.33H2O0.01N2H2H2ON2H2

H2O0.005H2O1.006574231891110(3)(3)(3)

反應(yīng)器1中，2個反應(yīng)同時存在，而在反應(yīng)器2中只有FeO進一步還原1個反應(yīng)存在。流程整體（OB）的特點：含有2種獨立反應(yīng)的虛擬反應(yīng)器。去自由度表